Совершенствование процесса и аппарата ультразвукового гидролиза кератинсодержащего сырья с использованием его в кормовых продуктах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Шанин Вячеслав Алексеевич

• Шанин Вячеслав Алексеевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Шанин Вячеслав Алексеевич

РЕФЕРАТ

SYNOPSIS

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 - СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ ПЕРЕРАБОТКИ КЕРАТИНСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ

1.1 Общие свойства и структурные особенности

кератинсодержащего сырья

1.2 Состояние технологических средств для гидролиза

кератинсодержащего сырья

1.2.1 Водно-тепловой гидролиз

1.2.2 Химический гидролиз

1.2.3 Ферментативный гидролиз

1.2.4 Ультразвуковой гидролиз

1.3 Возможности совершенствования технологических линий переработки перопуховых отходов птицеперерабатывающих предприятий

1.4 Цель и задачи исследования

ГЛАВА 2 - МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОДСИСТЕМ ПОДГОТОВКИ СЫРЬЯ К ПЕРЕРАБОТКЕ

2.1 Математическое моделирование процессов тепло- и массопереноса при мойке и сушке перопуховых отходов

2.1.1 Объект и методы моделирования

2.1.2 Особенности влияния тепло-массопереноса на сырье при подготовке к переработке

2.2 Математическое моделирование процесса гидролиза перопуховых отходов

2.2.1 Объект и методы моделирования

2.2.2 Особенности влияния режимов измельчения и характерных размеров частиц сырья на эффективность его гидролиза

ГЛАВА 3 - ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕРАБОТКИ КЕРАТИНСОДЕРЖАЩЕГО ПЕРОПУХОВОГО СЫРЬЯ

3.1 Особенности процесса подготовки оборудования и реагентов к переработке сырья

3.1.1 Объект и методы исследований

3.1.2 Определение оптимальных условий щелочного предгидролиза

3.2 Изучение процесса гидролиза перопухового сырья

3.2.1 Объект и методы исследований

3.2.2 Исследование влияния параметров обработки на получаемый продукт

3.2.3 Особенности конструкции используемого технологического оборудования

ГЛАВА 4 - ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ КОРМОВОГО ПРОДУКТА ИЗ

КЕРАТИНСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ

4.1 Актуальные технологические линии производства кормовых добавок из отходов птицеперерабатывающей промышленности

4.2 Принципы подхода при создании технологических линий для производства кормовых продуктов

4.3 Рекомендуемые схемы оборудования технологической линии производства кормов с повышенным содержанием кератинового белка

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

ПРИЛОЖЕНИЕ Е

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж

ПРИЛОЖЕНИЕ З

ПРИЛОЖЕНИЕ И

ПРИЛОЖЕНИЕ К

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКСТЫ ПУБЛИКАЦИЙ

РЕФЕРАТ

Актуальность темы. На птицефабриках в процессе переработки птицы образуется значительное количество перопуховых отходов, которые занимают довольно значительную долю от органических отходов. До 18,5 % от массы птицы составляют непищевые отходы, из них 7 % приходится на пух и перья. Утилизация отходов переработки птицы выливается в значительную проблему для предприятий птицепрома и приобретает все большее экономическое значение, создавая определенную нагрузку на себестоимость готовой продукции.

На сегодняшний день средний уровень промышленной переработки вторичного сырья в птицеводческой отрасли едва достигает 20%. Причиной низкого уровня переработки является отсутствие эффективных практически применимых методик.

В то же время перопуховое сырье состоит из кератина - животного белка, содержащего большое количество серосодержащих аминокислот, что делает его ценным вторичным сырьем для получение белковых кормовых добавок.

Однако в настоящее время содержание растворимого (усвояемого) протеина в перьевой кормовой муке составляет 50-60 % из-за несовершенства технологии переработки перопухового сырья. Для повышения массового выхода растворимого протеина нужно разработать более эффективную технологию гидролиза перопухового сырья.

Степень разработанности темы. Ранее выполненные исследования Л.В. Антиповой, А.В. Архиповым, И.А. Глотовой, С.А. Водолажченко, В.Г. Волик, Т. В. Долгих, А. Владимирова, Н.П. Волкова, Н.Г Григорьева, А. Голубева, И. Беляева, J.P. Wesels, и других внесли существенный вклад в теорию и практику изучения влияния ультразвуковой обработки с целью использования его в технологических процессах, в частности, в производстве белковых гидролизатов.

Исследования В.В. Белобородова, В.Б. Акопяна, Ю.А. Ершова и других легли

в основу обоснования перспективности использования ультразвука в качестве способа интенсификации процессов извлечения пищевых питательных или функциональных компонентов из растительного и животного сырья. Результаты их работ доказывают эффективность применения ультразвуковой обработки для ускорения различных технологических процессов, повышения массового выхода получаемых продуктов и их положительные качественные изменения. Этим определяется актуальность темы диссертации и ее цель: Разработать перспективную методику и оборудование, предназначенное для ультразвукового гидролиза кератинсодержащего сырья для получения белкового кормового продукта.

Совершенствовать технологию гидролиза перопухового сырья с применением ультразвуковой обработки для получения кормовой кератинсодержащей добавки и разработать конструкцию аппарата для ультразвукового

гидролиза кератинсодержащего сырья

Для достижения данной цели в рамках диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследовать влияние ультразвуковой обработки на время кислотного гидролиза перопухового сырья.

2. Нахождение рациональных параметров кислотного гидролиза перопухового сырья с применением ультразвуковой обработки.

3. Исследовать влияние установленных рациональных параметров ультразвуковой обработки на время щелочного гидролиза перопухового сырья.

4. Усовершенствовать конструкцию аппарата для ультразвукового гидролиза перопухового сырья для повышения массового выхода протеина в гидролизате и сокращения времени гидролиза.

5. Провести апробацию установленных рациональных параметров ультразвукового гидролиза перопухового сырья на промышленном предприятии

Научная новизна:

• выявлены особенности зависимости процессов мойки, сушки и кислотного гидролиза перопухового сырья от его геометрической формы и размеров, скорости потока жидкости и горячего воздуха;

• определены зависимости скорости растворения перопухового сырья от гидромодуля, концентраций соляной кислоты и гидроксида натрия, частоты ультразвуковых колебаний и типа волновода

• -установлены зависимости кинетики экстракции растворимого белка от гидромодуля, концентраций соляной кислоты и гидроксида натрия, частоты ультразвуковых колебаний и типа волновода

• установлена целесообразность изменения конструкции гидролизатора для использования в нем ультразвукового воздействия на перерабатываемое сырье и необходимость выбора определенных режимов его применения: частоты ультразвукового излучателя и интенсивности ультразвуковых колебаний.

Практическая значимость:

- установлены рациональные форма и относительные размеры УЗ волновода, позволяющие интенсифицировать процесс гидролиза перопухового сырья;

- определены режимы процесса кислотного и щелочного гидролиза перопухового сырья с применением ультразвукового излучения для обеспечения наиболее высокой скорости обработки при сохранении максимального выхода растворимого белка в готовом продукте, а именно: ультразвуковая обработка с частотой 22 кГц, интенсивность колебаний 2,0 Вт/см2, гидромодуль 1:20, температура 60 °С и продолжительность 10-15 мин, обеспечивающие максимальный массовый выход растворимого белка из перопухового сырья при минимальных временных, материальных и энергетических затратах.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Влияние ультразвукового излучения на процесс гидролиза перопухового сырья

2. Математическое описание процесса гидролиза

3. Конструкция аппарата для гидролиза перопухового сырья с встроенным

ультразвуковым излучателем.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

Пятидесятая научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (г. Санкт-Петербург, 01.02.2021-04.02.2021); Международная научно-практическая конференция «Международный опыт и законодательство в обеспечении безопасности пищевой продукции» (г. Пятигорск, 27.04.202128.04.2021); 30 лет независимости Казахстана: достижения и перспективы развития науки и образования Казахстан, (г. Караганда, 26.11.2021); Пятьдесят первая научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (г. Санкт-Петербург, 02.02.2022-05.02.2022); XI Конгресс молодых ученых ИТМО (г. Санкт-Петербург, 04.04.2022-08.04.2022); XIV Евразийский научный форум (г. Санкт-Петербург 15.12.2022-16.12.2022); II Конгресс молодых ученых (г. Санкт-Петербург 03.04.202306.04.2023); Достижения современных исследователей : сборник статей Международного научно-исследовательского конкурса (Петрозаводск, 19 июня 2023 г.); VIII международная выставка изобретений и инноваций имени Н.Г. Славянова, (Воронеж 20.10.2023).

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 130 источников, в том числе 22 иностранных, и приложений. Общий объем диссертации с приложениями составляет 259 страниц. Работа содержит 8 таблиц и 23 рисунка.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 14 публикациях. Из них 7 изданы в журналах, рекомендованных ВАК, 2 опубликованы в изданиях, индексируемых в базе цитирования Scopus. Также зарегистрирована полезная модель на РИД, полученный в ходе работы над диссертацией: патент № №209804 «Устройство для гидролиза кератинсодержащего сырья».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, научная новизна, поставленная цель и задачи. Представлены теоретическая и практическая значимость, научные положения, выносимые на защиту диссертации.

Первая глава посвящена литературному обзору и патентному поиску технологий и оборудования для ультразвуковой обработки кератинсодержащего сырья в ходе химического гидролиза с целью получения белковых кормовых продуктов. Рассмотрены существующие технологии гидролиза перопухового сырья, применяемое оборудование для гидролиза и аппараты для ультразвуковой обработки пищевых сред и возможности усовершенствования технологии ультразвукового гидролиза.

Основные выводы из литературного обзора:

1. Ценное сырье, являющееся побочным продуктом птицефабрик, используется не самым рациональным образом из-за недостаточной эффективности методов его обработки. Большинство перерабатывающих предприятий применяют водный гидролиз для получения кормовой муки, что является простым, но неэффективным способом из-за низкой растворимости и плохой усвояемости продукта.

2. Технология ферментативного гидролиза для обработки кератинсодержащего сырья имеет недостаточную степень гидролиза белка, требует длительного процесса и сложного оборудования, что увеличивает затраты на производство. В настоящее время такие методы не применяются в промышленных масштабах.

3. Химический гидролиз считается наиболее перспективным методом для обработки кератинсодержащего сырья из птицеперерабатывающей промышленности. Однако существующие методы химической обработки не обеспечивают высококачественный продукт без потери питательных свойств сырья. Поэтому исследования новых технологий химического гидролиза являются актуальными и

востребованными.

4. Использование высокотемпературного нагрева для интенсифицкации процесса гидролиза приводит к образованию нагара белкового твердого осадка внутри гидролизаторов. Использование в качестве дополнительного фактора обработки сырья ультразвуковых излучателей позволяет обойтись без сильного нагрева стенок аппаратов, т.к. механизм взаимодействие ультразвуковых волн кавитационных пузырьков действует более направленно, чем нагревание всего объема оборудования.

5. Так как наиболее эффективной технологией гидролиза перопухового сырья является последовательная комбинация двух процессов - щелочного предгидролиза и кислотного гидролиза, то очевидна необходимость создания технологического оборудования, позволяющего последовательно проводить обе ступени гидролиза вместе с ультразвуковой обработкой, что позволит значительно сократить время технологического процесса, повысить массовый выход расворимых (усвояемых) протеинов и снизить концентрации необходимых реагентов.

Во второй главе описываются методы математического моделирования процессов подготовки перопухового сырья (мойка, сушка) и моделирование процесса химического гидролиза.

Объект и методы моделирования.

Классическая система уравнений, основанная на действии трех потенциалов -температуры Т, массосодержания в и нерелаксированного давления паров , для капиллярно-пористых тел записывается, как известно, следующим образом [125]:

д-1 = к11у2т + к12у2в + к13У2Р1) (1)

д-1 = к21^2Т + к-^Ч + к23Ъ2р1-, (2)

= к31^2Т + к^в + к33Ъ2Р1. (3)

В этих уравнениях

кц = ач + ат6в%г-^; к^ = к^ = ат6р%г-^; (4)

к21 — ат$в'> к-22 — ат'> к23 — ат$р'> (5)

и

Кз1 — ——атов, Кз2 — ——ат, К33 — ар ——ат, (6)

СЬ СЬ

где ач - коэффициент температуропроводности; ат - коэффициент потенциалопроводности вещества; 8в - коэффициент термовлагопроводимости, или термоградиентный коэффициент; % - коэффициент фазового превращения; г - теплота фазового перехода; ст - изотермическая массоемкость; ся - изобарная теплоемкость; 6р - бароградиентный коэффициент; сь - коэффициент, характеризующий емкость капиллярно-пористого тела по отношению к влажному воздуху процессе молярного движения парогазовой смеси; ар - коэффициент конвективной фильтрационной диффузии парогазовой смеси.

В качестве важнейшего свойства этой системы отметим ее полипотенциальность (трехпотенциальность), отражающую влияние каждого потенциала на развитие собственного поля и полей других потенциалов. Кинетические коэффициенты переноса к(к11,к12 и т.д.) при соответствующих потенциалах являются характеристиками влияния данного явления на другое. Например, в уравнении (1) коэффициент к12 при потенциале в характеризует в виде отдельного члена к1272в влияние массопроводности на теплопроводность, а коэффициент к23 при потенциале р1 в уравнении (2) - влияние потока массы в результате фильтрации пара на массопроводность и т.д. При увеличении числа потенциалов будет соответственно увеличиваться число членов в каждом уравнении и число самих уравнений. Такой подход методологически оправдан для сложных процессов с точки зрения изучения их механизма, особенно при подобном преобразовании.

Особенности влияния тепло-массопереноса на сырье при подготовке к переработке.

Физическую модель мойки и сушки перопухового сырья можно представить следующим образом (рис 1 и 2).

Во время мойки теплая вода, смывая с поверхности пера загрязнения, также проникает вглубь пера. В уменьшенном масштабе этот процесс можно представить как диффузию жидкости из движущегося потока внутрь стержня. На поверхности стержня при этом образуется поверхностный слой, в котором массоперенос осуществляется молекулярным путем. При сушке же влага испаряется из пера в обратную сторону, так же получая тепловую энергию благодаря молекулярному теплообмену и массопереносу частиц воздуха внутрь сырья, также через пограничный слой.

Поверхностный слой

ГО

О ш

к

го ^

с

ф

го

о ш

к

го ^

с

ф

Рисунок 1 - Массоперенос при мойке сырья

Для построения математической модели процессов массо и теплопереноса схематично изобразим его на рис

Рисунок 3 - Массо- и теплоперенос с базовыми потенциалами

Условные обозначения: I - диаметр стержня; 6 - толщина пограничного слоя; ф', ф", ф2 - значения потенциалов базового потока массы, соответственно, внутри стержня (среднее значение), на поверхности стержня, на наружной «поверхности» пограничного слоя и в потоке жидкости; х-1 ,х',х", Х2 - значения потенциалов базового потока теплоты соответственно внутри стержня (среднее значение), на поверхности стержня, на наружной «поверхности» пограничного слоя и в потоке жидкости; дт, - соответственно потоки массы и теплоты; 1/п^, 1/щ - расстояние от поверхности частицы до точки среднего значения концентрации и температуры. формула для расчета обобщенного коэффициента внутреннего массопереноса будет иметь вид

— аи(РпТи - 1) (7)

Оптимизация процессов мойки и сушки обеспечивает экономию материальных средств и времени при реализации процесса на конкретном технологическом оборудовании. К достоинствам рассмотренных моделей можно отнести перспективность ее применения для решения широкого спектра решаемых задач. Учитывая известные характеристики системы, можно привести решение к частному виду и математически описать исследуемый массо- и теплообменный процесс. Это дает возможность определить оптимальные параметры и повысить эффективность процессов мойки и сушки перопухового сырья.

Во третьей главе приведено описание экспериментальных исследований процессов переработки перопухового сырья с использованием ультразвуковой обработки для интенсификации гидролиза.

Особенности процесса подготовки оборудования и реагентов к переработке сырья. Для обработки отходов птицеперерабатывающей промышленности была создана технология, которая включает в себя двухстадийный ультразвуковой гидролиз сырья: первая стадия - обработка щелочью (щелочной предгидролиз), вторая стадия - воздействие кислотой (кислотный гидролиз). Для проверки эффективности этой технологии проводили обработку перьевого сырья на двух стадиях гидролиза,

последующую нейтрализацию гидролизата и его сушку.

Для определения оптимального технологического режима обработки отходов с целью получения легкоусвояемого кормового продукта без потери питательной ценности исходного сырья проводили исследования, изучая влияние различных режимов обработки на качество конечного продукта. Эксперименты проводились согласно технологической схеме на рисунке

Объект и методы исследований. Объектом исследования было кератинсодержащее сырье, которое является наиболее сложным для гидролиза из всех отходов птицеперерабатывающей промышленности. Перопуховое сырье, взятое на птицефабрике, высушивали при температуре 60 °С в течение 2 часов до 10 % остаточной влаги.

Перо и раствор вносили в химический стеклянный стакан объемом 0,2 дм3. Внесение №ОН и процесс предгидролиза производили при постоянном перемешивании.

Рисунок 4 - План-схема проведения экспериментов

Изучение процесса гидролиза перопухового сырья. Объект и методы исследований. Для того, чтобы сравнить эффективность воздействия ультразвуковых колебаний на процесс гидролиза перопухового сырья, был проведен эксперимент по сравнению скорости растворения сырья в процессе термического гидролиза и гидролиза в ультразвуковом поле.

Были проведены эксперименты по гидролитическому разложению перопуховых отходов в диапазоне от 20 °С до 80 °С при обычном давлении без ультразвуковых колебаний и при помещении заранее подготовленных образцов в зону действия источника ультразвука в виде лабораторной модели аппарата И10-840, работающий с амплитудой 10-40 мкм, частотой 22 и 44 кГц., с возможностью установки различных видов волноводов. (рисунок 5). Использовалась колебательная система в виде электроакустического преобразователя с потребляемой мощностью до 1 кВт. В качестве реагента использовалась соляная кислота чистая, разбавленная до требуемых массовых концентраций в диапазоне от 1% до 9% с шагом 1%.

4.Сушка гидролизата 5.Высушенный гидролизат 6.Готовый продукт

Рисунок 5 - Процесс получения сухого гидролизата из пухоперьевого сырья

Исследование влияния параметров обработки на получаемый продукт.

Была определена скорость растворения сырья при обычном термическом и ультразвуковом гидролизе при следующих условиях обработки:

• Температура водяной бани 60 °С

• Волновод - сужающийся

• Частота УЗ 44 кГц

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование процесса и аппарата ультразвукового гидролиза кератинсодержащего сырья с использованием его в кормовых продуктах»

• Мощность 750 Вт

• Концентрациии HCl - 1-9 %.

Замерялось время полного растворения сырья до отсутствия видимых частиц в растворе. Результаты измерений представлены на рис. 6

1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9%

Концентрация HCl ■ Без УЗ обработки ■ УЗ обработка

Рисунок 6 - Изменение времени растворения пера в зависимости от концентрации соляной кислоты, %

Заметно, что ультразвуковая обработка значительно повышает скорость растворения сырья при всех выбранных концентрациях кислоты.

Также была исследована зависимость скорости растворения перопухового

сырья при различных параметрах процесса. Проводили кислотный гидролиз под воздействием ультразвуковой обработки при помощи УЗ излучателя мощностью 1 кВт при 60 °С в растворе соляной кислоты концентрацией 1, 3, 6 и 9 %, при варьировании гидромодуля: 1:10, 1:20, 1:30 и 1:40 и использовании ультразвуковой обработки погружными волноводами двух типов (сужающимся и расширяющимся) на разных частотах (22 и 44 кГц). Для сравнения результатов, получаемых при разных значениях гидромодуля замерялось время полного растворения перопухового сырья в процессе гидролиза до визуального состояния полностью гомогенного раствора. Результаты измерений приведены на рисунке 7.

Рисунок 7 - Измерение времени растворения перопухового сырья при кислотном гидролизе в зависимости от параметров обработки

Разрушение дисульфидных связей инициирует процесс разрыхления структуры пера, делая белок более уязвимым к воздействию гидролитических агентов, в частности кислот. Следствием этого становится увеличение количества растворимого белка и аминного азота в составе гидролизата.

Таким образом, оптимальным уровнем Ж.К. является 1:20, т.к. при 1:10, 1:30 и более высоких значениях наблюдается уменьшение скорости растворения сырья и накопления белка в растворе, что связано с изменениями реологических свойств раствора и интенсификацией процесса кавитации в вязкой среде. В то же время, проведение процесса предгидролиза при значениях Ж.К. выше 1:20 ведет к дополнительным затратам на реагенты и повышенному содержанию солей в готовом продукте, что также отрицательно сказывается на себестоимости процесса.

Согласно полученным данным из таблицы 1 заметно, что оптимальные технические условия для проведения гидролиза кератинсодержащих отходов под воздействием ультразвукового излучения:

• Гидромодуль 1:20

• Концентрация HCl 6%

• Волновод сужающийся

• Частота 22 кГц

Учитывая, что главная цель щелочного предгидролиза заключается в частичном ослаблении прочности кератина, не требуется проведение интенсивной обработки, приводящей к существенному разрушению структуры пера под воздействием щелочи. В результате предгидролиза желательно получить набухшее разрыхленное перо, чтобы облегчить последующий процесс кислотного гидролиза.

Экспериментально установлено, что повышение значения гидромодуля сопровождается увеличением потерь цистеина, при этом степень набухания в условиях кратковременной обработки не претерпевает значительных изменений. В связи с этим, представляется целесообразным использование минимального гидромодуля, а именно 1:20, для осуществления гидролиза. Также были проведены измерения содержания протеина в гидролизате по ГОСТ 17681-82. Результаты измерений представлены на рисунке 8.

Рисунок 8 - Измерение времени растворения перопухового сырья при кислотном гидролизе в зависимости от параметров обработки

Результаты измерений показали, что оптимальными условиями для обработки являются: частота ультразвука 22 кГц, сужающийся волновод, концентрация HCl 1% и гидромодуль 1:10 и 1:20. Высокие значения содержания кератина по сравнению с другими условиями обработки связаны в первую очередь с высоким содержанием кислоты в растворе, что может вызывает разрушение аминокислот белка, в результате чего его содержание в готовом гидролизате снижается.

Кислотный гидролиз проводится при следующих параметрах:

• Гидромодуль 1:20

• Концентрация HCl 1 %

• Температура 60 °C

• Волновод сужающийся

• Частота 22 кГц

• Время УЗ обработки 10 минут

Выбор условий основывается на результатах измерения скорости растворения пера и конечном содержании протеина после гидролиза. Так как наивысшая скорость растворения и одни из максимальных показателей содержания белка достигается при значении гидромодуля 1:20, то именно оно выбрано оптимальным. Говоря же о концентрации раствора соляной кислоты, скорость растворения наибольшая при массовой концентрации 6%, однако наибольшее содержание белка достигается при гидролизе в 1 % растворе кислоты, поэтому, для максимизации массового выхода гидролизата в качестве оптимального значения выбрана концентрация 1 %.

Особенности конструкции используемого технологического оборудования. Для осуществления процесса ультразвукового гидролиза кератина из перопухового сырья необходимо использовать специальное оборудование, позволяющее эффективно использовать ультразвуковое воздействие для интенсификации процесса гидролиза.

Задача, на решение которой направлена предлагаемая разработка, заключается в увеличении продолжительности и площади контакта экстрагента с сырьем. Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в повышении массового выхода продукта.

Сущность разработанного аппарата поясняется рисунке 9, на котором изображена общая схема устройства.

Рисунок 9 - Ультразвуковой гидролизатор

Устройство для гидролиза кератинсодержащего сырья содержит корпус 1 с патрубком подачи сырья и экстрагента 2, оснащенным воронкой, патрубок для слива твердых примесей 3, лопастную мешалку 4, размещенную внутри корпуса 1 на приводном валу 5, источник ультразвука 6 и трубопровод рециркуляции экстрагента 7, снабженный насосом 8 и связанный с накопительной емкостью 9. Патрубок подачи сырья и экстрагента 2 снабжен цилиндром 10, коаксиальным валу 5 лопастной мешалки 4, связанному с приводом 11. Размещенный выше лопастной мешалки 4 источник ультразвука 6 выполнен в виде магнитострикционного элемента продольных колебаний. На одном уровне с источником ультразвука 6 установлена загрузочная рециркуляционная воронка 12, соединенная трубопроводом 7 с накопительной емкостью 9. Накопительная емкость 9 имеет отборник проб 13, сливной патрубок 14 с краном 15 и сообщается с воронкой патрубка подачи сырья и экстрагента 2 посредством трубопровода 16, оснащенного задвижкой 17, управляемой поплавковым регулятором 18.

Работает устройство следующим образом. Сырье и раствор реагентов через

загрузочный патрубок 2 поступают в корпус 1, и, проходя через цилиндр 10, подвергаются воздействию со стороны источника ультразвука 6. Сырье, предварительно разрушенное кавитацией от ультразвука, дополнительно измельчается и перемешивается под действием лопастной мешалки 4. Мисцеллы белка, образующиеся в результате гидролиза кератинсодержащего сырья, за счет меньшей плотности поднимаются к верхним слоямсмеси, где попадают в рециркуляционную воронку 12, откуда по трубопроводу 7 перекачиваются насосом 8 в накопительную емкость 9. Из накопительной емкости 9 через отборник проб 13 периодически производится отбор продукта и определяется концентрация мисцелл белка в растворе. На начальных стадиях процесса смесь из накопительной емкости 9 по трубопроводу 16 поступает в патрубок для загрузки сырья и экстрагента 2 и проходит повторную обработку ультразвуком. Поток смеси, поступающий на повторную обработку через трубопровод 16, регулируется заслонкой 17, управляемой поплавковым регулятором 18. Когда концентрация белка в растворе достигает требуемых значений, оператор открывает кран 15, и обогащенная смесь выгружается через патрубок твердые остатки кератинсодержащего сырья удаляются из корпуса 1 через сливной патрубок 3.

Благодаря обеспечению циркуляции и повторной обработки кератинсодержащего сырья достигается увеличение массового выхода и улучшение качества продукта. Результаты разработки конструкции ультразвукового гидролизатора зарегестрированы в качестве патента на полезную модель № 209804.

В четвертой главе описывается обоснование выбора технологической линии процесса получения кормового продукта из кератинсодержащего сырья. В настоящее время, для обеспечения экономичного расходования природных и экономических ресурсов, предприятия, особенно выпускающие большое количество продукции, стараются обеспечить максимально полную переработку отходов и вторичных материалов производства и постоянно совершенствуют технологию их переработки и утилизации.

Существует следующая технологическая линия для производства кормов с высоким содержанием белка (рис. 10).

Рисунок 10 - Технологическая линия мясо-костно-перьевого гидролиза

Принцип работы технологической линии основан на последовательном прохождении этапов обработки: варка, прессование, отделение белковой и жировой фракции и шламов, сушка, дозация антиоксиданта, измельчение, охлаждение и упаковка.

Жир, отделенный в сепараторе, перекачивается электронасосной установкой в

специальную емкость. Оставшийся обезжиренный бульон утилизируется.

В результате изучения существующих технологических линий производства белковых кормовых добавок и проведения экспериментальных исследований была разработана новая технологическая схема. Отличительной особенностью новой схемы является использование ультразвукового излучателя (рис. 11).

Рисунок 11 - Принципиальная технологическая схема переработки

перопуховых отходов

Процесс переработки пера начинается с засыпки пера, сразу после убоя птицы или со склада хранения из буферной емкости в ультразвуковой гидролизатор. Заполнение осуществляют на 75 % от вместимости гидролизатора. Затем вносят в

котел раствор №ОН 0,5% раствор щелочи, массой в 4 раза большей, чем загруженное перо.

Для равномерного распределения сырья по всему объему котла в процессе загрузки периодически включают мешалку. После завершения загрузки сырья проводят предварительный гидролиз пера в щелочном растворе. Продолжительность предгидролиза составляет 10-15 минут.

Следующим этапом является добавление в котел раствора соляной кислоты. Концентрация кислоты подбирается таким образом, чтобы нейтрализовать щелочь и создать 1,5% раствор. Кислотный гидролиз проводят в течение 10-15 минут, поддерживая соотношение жидкости и сырья 1:20.

Полученный жидкий гидролизат перекачивают насосом в емкость для нейтрализации. Процесс нейтрализации осуществляется путем добавления щелочи при постоянном перемешивании до достижения уровня рН 6,7-7,0. Температура раствора в процессе нейтрализации поддерживается на уровне 50-60 °С. Нейтрализованный раствор направляют на сушку.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные в работе исследования позволили получить следующие результаты:

1. Установлено, что при обработке ультразвуком частотой 22 кГц, излучателем с сужающимся волноводом время гидролиза перопухового сырья в растворах соляной кислоты 1-9% сокращается в 10 раз.

2. На основе результатов экспериментального исследования составлены уравнения регрессии для расчета массовой доли протеина в гидролизате и времени гидролиза в зависимости от условий обработки. Для перопухового сырья рациональными параметрами кислотного гидролиза при ультразвуковой обработке являются: концентрация HCl 1%, гидромодуль сырье:раствор - 1:20, частота УЗ колебаний 22 кГц, сужающийся волновод.

3. Разработаны и практически апробированы методики проведения экспериментов и анализа целевых продуктов, получаемых после базовой стадии ультразвукового щелочно-кислотного гидролиза. Исследовать влияние установленных рациональных параметров ультразвуковой обработки на время щелочного гидролиза перопухового сырья.

4. В конструкцию аппарата для гидролиза перопухового сырья добавлены магнитострикционные излучатели УЗ колебаний с частотой 22 кГц и циркуляционный контур, обеспечивающий равномерное нахождение сырья в зоне усиленной обработки УЗ колебаниями, что повышает массовый выход протеина в готовом продукте и сокращает общее время процесса гидролиза.

5. На предприятии ООО «ПРОТЕИН-ПЛЮС» была проведена серия испытаний по использованию ультразвуковой обработки (22 кГц, сужающийся волновод) при щелочном гидролизе перопухового сырья. Результаты показали, что УЗ обработка позволяет сократить время процесса обработки на 20 %.

Применение разработанных методов обработки привело к улучшению ключевых показателей качества продукта: высокое содержание растворимого

гидролизованного белка, низкое содержание влаги, низкое содержание неорганических солей.

Сравнение с кормовой мукой из перопуховых отходов, получаемой в ходе обычного термо-химического гидролиза показало, что продукт, полученный при помощи ультразвуковой обработке содержит большее количество общего белка и имеет гораздо меньшее содержание солей, т.к. при УЗ гидролизе достаточно использовать растворы щелочей и кислот в малых концентрациях.

Кроме того, экспериментальные данные, полученные в ходе исследования, позволили создать технологию и оборудования для получения продукта, пригодного для применения в пищевой и фармацевтической промышленности из отходов птицеперерабатывающих предприятий.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В международных изданиях, индексируемых в базе данных Scopus:

1. Iskakov I.Z., Lanina E.E., Alekseev A.V., Kravtcova E.V., Shanin V.A., Egorova O. Development of a method for efficient extraction of food raw materials // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science - 2022, Vol. 1052, No. 1, pp. 012024.

2. Shanin V.A., Alekseev G., Egorova O., Gaysin I.A., Israfilov I.H. Optimization of the solution of mass- and heat transfer models in capillary-porous media // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science - 2022, Vol. 1112, No. 1, pp. 1-13.

В изданиях из перечня ВАК РФ:

1. Шанин В.А., Алексеев Г.В, Кравцова Е.В., Каршева К. Анализ влияния параметров ультразвуковой обработки на клейстеризующую способность картофельного крахмала. Естественные и технические науки. 2021. №2 7(158). С. 241242.

2. Алексеев Г.В., Шанин В.А., Бирченко А.А., Кравцова Е.В., Гончаров М.В. Совершенствование работы оборудования для противоточной экстракции на основе моделирования процесса // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий -2022. - Т. 84. - № 2(92). - С. 27-33 Алексеев Г.В., Шанин В.А., Леу А.Г., Бирченко А.А. Использование физических воздействий при интенсификации производства крахмалов // Ползуновский вестник - 2021. - № 4. - С. 115-122.

3. Алексеев Г.В., Каршева К., Резниченко Р.О., Шанин В.А. Совершенствование процесса выделения кератина путем гидролиза сырья в ультразвуковом поле. Ползуновский вестник. 2021. № 2. С. 182-187.

4. Alekseev G.V., Karsheva K.O., Reznichenko R.O., Shanin V.A. The use of secondary raw materials of the poultry- processing industry for obtaining viscous keratin hydrolysate // Современная наука и инновации - 2022, No. 3(35), pp. 140-144.

5. Алексеев Г.В., Шанин В.А., Бирченко А.А., Кравцова Е.В., Гончаров М.В. Совершенствование работы оборудования для противоточной экстракции на основе

моделирования процесса // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий - 2022. - Т. 84. - № 2(92). - С. 27-33.

6. Каршева К., Резниченко Р.О., Шанин В.А., Алексеев Г.В. Анализ влияния ультразвукового воздействия на скорость растворения пера при щелочном гидролизе // Естественные и технические науки - 2022. - № 1(164). - С. 221-222.

7. Алексеев Г.В., Леу А.Г., Шанин В.А. Возможности прочностных оценок конструкционных элементов ультразвуковых экстракторов // Вестник ВСГУТУ -2021. - № 3(82). - С. 26-33.

Патент РФ:

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРОЛИЗА КЕРАТИНСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ. Алексеев Г.В., Кравцова Е.В., Резниченко Р.О., Бирченко А.А., Каршева К., Шанин В.А. Патент на полезную модель RU 209804 Ш, 23.03.2022. Заявка № 2021136928 от 14.12.2021.

В иных изданиях:

1. Каршева К.О., Резниченко Р.О., Шанин В.А., Алексеев Г.В. Изучение возможности применения гидролизата кератина на основе пухо-перьевых отходов птицеперерабатывающей отрасли в качестве биоразлагаемой упаковки // 30 лет независимости Казахстана: достижения и перспективы развития науки и образования: сборник трудов международной научно-теоретической конференции в онлайн формате (Караганда, 26 ноября 2021г.) -2021. - С. 572-574.

2. Алексеев Г.В., Каршева К.О., Резниченко Р.О., Шанин В.А. Использование вторичного сырья птицеперерабатывающей отрасли для получения вязкого гидролизата кератина // Материалы международной научно-практической конференции «Международный опыт и законодательство в обеспечении безопасности пищевой продукции» (Пятигорск, 27-28апреля 2021г.) -2021. - С. 96-98.

3. Резниченко Р.О., Каршева К.О., Шанин В.А., Алексеев Г.В. Проблемы утилизации кератинсодержащих отходов птицеперерабатывающей отрасли // 30 лет независимости Казахстана: достижения и перспективы развития науки и образования:

сборник трудов международной научно-теоретической конференции в онлайн формате (Караганда, 26 ноября 2021г.) -2021. - С. 826-829.

4. Кравцова Е.В., Каршева К.О., Шанин В.А. Использование продуктов гидролиза перо-пуховых отходов для получения экологичных биоразлагаемых упаковочных плёнок // Труды XIV Евразийского научного форума (Санкт-Петербург, 15-16 декабря 2022г.) -2022. - Т. 2. - С. 118-122.

5. Шанин В.А. Совершенствование моделей массо- и теплопереноса при переработке кератинсодержащего сырья // Достижения современных исследователей: сборник статей Международного научно-исследовательского конкурса (Петрозаводск, 19 июня 2023 г.) -2023. - С. 159-165.

SYNOPSIS

Relevance of the topic. At poultry farms in the process of poultry processing a significant amount of feather and down waste is formed, which occupies a fairly significant share of organic waste. Up to 18,5 % of the poultry weight is non-food waste, of which 7 % is down and feathers. Utilization of poultry processing waste is a significant problem for poultry enterprises and is becoming increasingly important economically, creating a certain burden on the cost of finished products.

To date, the average level of industrial processing of secondary raw materials in the poultry industry barely reaches 20%. The reason for the low level of recycling is the lack of effective practically applicable methods.

At the same time, feather down raw material consists of keratin, an animal protein containing a large amount of sulfur-containing amino acids, which makes it a valuable secondary raw material for obtaining protein feed additives.

However, at present the content of soluble (digestible) protein in feather fodder meal is 50-60% due to the imperfection of the technology of processing feather and down raw materials. To increase the mass yield of soluble protein it is necessary to develop a more effective technology of hydrolysis of feather down raw material.

The degree of development of the topic. Earlier studies by L.V. Antipova, A.V. Arkhipov, I.A. Glotova, S.A. Vodolazhchenko, V.G. Volik, T.V. Dolgikh, A. Vladimirov, N.P. Volkov, N.G. Grigoriev, A. Golubev, I. Belyaeva, J.P. Wesels, and others have contributed to the development of the technology of hydrolysis of feather down raw material. Wesels, and others have made a significant contribution to the theory and practice of studying the effect of ultrasonic treatment in order to use it in technological processes, in particular, in the production of protein hydrolysates.

The studies of V.V. Beloborodov, V.B. Akopyan, Y.A. Ershov and others formed the basis for substantiation of the prospectivity of ultrasound use as a method of intensification of processes of extraction of food nutritive or functional components from

plant and animal raw materials. The results of their works prove the efficiency of ultrasonic treatment application for acceleration of various technological processes, increase of mass yield of obtained products and their positive qualitative changes.

This determines the relevance of the thesis topic and its purpose:

To improve the technology of hydrolysis of feather down raw material using ultrasonic treatment for obtaining protein fodder product.

To achieve this goal, the following tasks were set and solved within the framework of the thesis:

1. To investigate the effect of ultrasonic treatment on the time of acid hydrolysis of feather down raw material.

2. To find rational parameters of acid hydrolysis of feather fur raw material using ultrasonic treatment. The range of varying parameters: HCl concentration - from 1 to 9%, hydromodule raw material:solution - from 1:10 to 1:40, frequency of ultrasonic oscillations 22 and 44 kHz, waveguide shape - tapering and expanding.

3. To investigate the influence of the established rational parameters of ultrasonic treatment on the time of alkaline hydrolysis of feather down raw material.

4. To improve the design of the apparatus for ultrasonic hydrolysis of feather down raw material to increase the mass yield of protein in the hydrolysate and reduce the time of hydrolysis.

5. To carry out approbation of the established rational parameters of ultrasonic hydrolysis of feather down raw material at the industrial enterprise.

Scientific novelty of the thesis is reflected in the following points:

1. The influence of ultrasonic treatment on the process of hydrolysis of feather down raw material (increase of mass yield of soluble protein up to 89% and reduction of time of hydrolysis in 10 times, at rational parameters of treatment) is investigated;

2. The design of the apparatus for hydrolysis of keratin-containing raw materials (patent for utility model of the Russian Federation №209804 C1, allowing to realize

sequentially both stages of ultrasonic hydrolysis. Scientific provisions for defense:

1. Influence of ultrasonic radiation on the process of hydrolysis of feather fur raw material

2. Mathematical description of the hydrolysis process

3. Design of the apparatus for hydrolysis of feather down raw material with built-in ultrasonic radiator.

Approbation of the results of the work. The main results of the work were reported and discussed at the following conferences:

Fiftieth scientific and educational-methodical conference of ITMO University (St. Petersburg, 01.02.2021-04.02.2021); International scientific-practical conference "International experience and legislation in ensuring the safety of food products" (Pyatigorsk, 27.04.2021-28.04.2021); 30 years of independence of Kazakhstan: achievements and prospects for the development of science and education Kazakhstan, (Karaganda, 26.11.2021); Fifty-first scientific and educational-methodical conference of ITMO University (Karaganda, 26.11.2021); Fifty-first scientific and educational-methodical conference of ITMO University (St. Petersburg, 02.02.2022). St. Petersburg, 02.02.2022-05.02.2022); XI Congress of Young Scientists of ITMO (St. Petersburg, 04.04.2022-08.04.2022); XIV Eurasian Scientific Forum (St. Petersburg 15.12.202216.12.2022); II Congress of Young Scientists (St. Petersburg 03.04.2023-06.04. 2023); Achievements of modern researchers : collection of articles of the International research competition (Petrozavodsk, June 19, 2023); VIII International exhibition of inventions and innovations named after N.G. Slavyanov, (Voronezh 20.10.2023).

Publications on the topic of work. The main results on the subject of the dissertation are stated in 14 publications. Of them 7 are published in the journals recommended by the Higher Attestation Commission, 2 are published in the editions indexed in the Scopus citation database. Also the useful model on RID, received in the course of work on the dissertation is registered: patent No. 209804 "Device for hydrolysis

of keratin-containing raw materials".

Structure and scope of the thesis. The dissertation consists of an introduction, four chapters, conclusion, a list of literature from 130 sources, including 22 foreign ones, and appendices. The total volume of the dissertation with appendices is 259 pages. The work contains 8 tables and 23 figures.

MAIN CONTENT OF WORK

The introduction substantiates the relevance of the work, scientific novelty, the set goal and objectives. The theoretical and practical significance, scientific provisions put forward for the defense of the thesis are presented.

The first chapter is devoted to literature review and patent search of technologies and equipment for ultrasonic treatment of keratin-containing raw materials during chemical hydrolysis in order to obtain protein feed products.

The main conclusions from the literature review are:

1. Valuable raw materials, which are by-products of poultry farms, are not utilized in the most rational way due to insufficient efficiency of their processing methods. Most processing plants use aqueous hydrolysis to obtain feed meal, which is a simple but inefficient method due to low solubility and poor digestibility of the product.

2- Enzymatic hydrolysis technology for processing keratin-containing raw materials has an insufficient degree of protein hydrolysis, requires a long process and complex equipment, which increases production costs. Currently, such methods are not used on an industrial scale.

3- Chemical hydrolysis is considered to be the most promising method for processing keratin-containing raw materials from the poultry processing industry. However, existing chemical processing methods do not provide a high quality product without loss of nutritional properties of raw materials. Therefore, the research of new technologies of chemical hydrolysis is actual and in demand.

4 The use of high-temperature heating to intensify the process of hydrolysis leads to the formation of protein solid sludge fouling inside the hydrolyzers. The use of ultrasonic emitters as an additional factor in the processing of raw materials allows us to do without strong heating of the walls of the apparatuses, because the mechanism of interaction of ultrasonic waves cavitation bubbles acts more directionally than heating the entire volume of equipment.

5. Since the most effective technology of hydrolysis of feather down raw material is a sequential combination of two processes - alkaline pre-hydrolysis and acid hydrolysis, it is obvious that it is necessary to create technological equipment that allows to conduct both stages of hydrolysis together with ultrasonic treatment, which will significantly reduce the time of the technological process and reduce the concentration of necessary reagents.

processes of feather down raw material preparation (washing, drying) and modeling of the chemical hydrolysis process.

washing and drying is unthinkable without the use of correct mathematical models accompanying this important stage of raw material preparation. That is why it is necessary to develop methods for determining such system parameters as internal mass and heat transfer coefficients, with the help of which it is possible to make equations describing the washing and drying processes.

The classical system of equations based on the action of three potentials -temperature, mass content and unrelaxed vapor pressure - for capillary-porous bodies is known to be written as follows [123]:

The second chapter describes methods of mathematical modeling of the

Object and methods of modeling. Successful choice of rational modes of

(1)

(2)

кц = aq + amSe%r^; ki2 = ki3 = amSp^rc-^; (4)

Lq Lq Lq

к21 = ат$в'> k-22 = am'> ^23 = am$p'> (5)

K31 = ——amOQ, K32 = ——am, K33 = ap ——am, (6)

Lb Lb Lb

where aq - coefficient of thermal conductivity; am - coefficient of potential conductivity of a substance; Se - coefficient of thermal moisture conductivity, or thermogradient coefficient; f - coefficient of phase transformation; r - heat of phase transition; cm - isothermal mass capacity; cq - isobaric heat; Sp - barogradient coefficient; cb - coefficient characterizing capillary-porous body capacity in relation to moist air during molar motion of vapor-gas mixture; ap - coefficient of convective filtration diffusion of vapor-gas mixture.

В качестве важнейшего свойства этой системы отметим ее полипотенциальность (трехпотенциальность), отражающую влияние каждого потенциала на развитие собственного поля и полей других потенциалов. The kinetic transfer coefficients k(k11, k12 и т.д.) at the respective potentials characterize the influence of a given phenomenon on another. For example, in equation (1) the coefficient k12 at potential в characterizes as a separate term k12V20 the effect of mass conductivity on thermal conductivity, and the coefficient k23 at potential p1 в уравнении in equation (2) characterizes the effect of mass flow as a result of vapor filtration on mass conductivity, etc. As the number of potentials increases, the number of terms in each equation and the number of equations themselves will correspondingly increase. This approach is methodologically justified for complex processes from the point of view of studying their mechanism, especially for such a transformation.

Peculiarities of heat and mass transfer influence on raw materials during preparation for processing. The classical system of coupled differential equations of mass and heat transfer does not take into account the specifics of many processes, for example, swelling of food products during their extraction with certain solvents. It seems reasonable to consider a more general system of coupled differential equations of mass and heat transfer [123].

The physical model of washing and drying of feather down raw materials can be presented as follows (Figures 1 and 2).

During washing, warm water, washing away impurities from the surface of the feather, also penetrates deep into the feather. On a reduced scale, this process can be visualized as diffusion of liquid from the moving stream into the interior of the rod. In this case, a surface layer is formed on the surface of the rod, where mass transfer is carried out by molecular means. In drying, the moisture evaporates from the pen in the opposite direction, also receiving heat energy due to molecular heat transfer and mass transfer of air particles inside the raw material, also through the boundary layer.

Surface layer

0

03 £

E ic

0

03 £

E

jc

Figure 1 - Mass transfer during washing of raw materials

To build a mathematical model of mass and heat transfer processes, let us schematically depict it in Fig. 3.

Figure 3 - Mass and heat transfer with basic potentials

Notation: I - diameter of the rod; S - thickness of the boundary layer; <p1, <p', <p2 - values of potentials of the basic mass flux, respectively, inside the rod (average value), on the surface of the rod, on the outer "surface" of the boundary layer and in the liquid flow; Xi ,x',x", Xi - values of potentials of the basic heat flux, respectively, inside the rod (average value), on the surface of the rod, on the outer "surface" of the boundary layer and in the liquid flow; qm, qt - mass and heat fluxes; l/n^, l/nt - distance from the particle surface to the point of the average value.

the formula for calculating the generalized internal mass transfer coefficient will have the form:

= au(PnTu - 1) (7)

Thus, the calculation of the hydrolysis process for the special case of opposite direction of flows is considerably simplified, and the obtained coefficient is used for further calculations and modeling of the process.

The obtained equations allow to describe the external mass transfer resistance fraction much easier than in other calculation methods. The development of the above ideas leads to a new content of the concepts of kinetic coefficients of mass and heat transfer. The described methodology makes it possible to calculate optimal system parameters on the basis of known and measured data. Optimization of washing and drying processes provides material and time savings when implementing the process on a particular technological equipment. To the advantages of the considered models can be attributed the prospect of its application for a wide range of solved problems. Taking into account the known characteristics of the system, it is possible to bring the solution to a partial form and mathematically describe the studied mass and heat exchange process. This makes it possible to determine the optimal parameters and increase the efficiency of the washing and drying processes of feather and down raw materials.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шанин Вячеслав Алексеевич, 2024 год

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ Р 53876-2010. Крахмал картофельный. Технические условия.

2. Кузьмина В.П. Механохимия для модификации крахмал продуктов / В.П. Кузьмина. - Москва, 2014.-292 с.

3. Руськина, А.А. Полова, Н.В. Руськин, Д.В. Модификация крахмала с помощью ультразвукового воздействия как инструмент изменения его техно-логических характеристик // Вестник ЮУрГУ. - 2018. - Т. 6. - №1. - С. 69-74.

Ползуновский вестник. 2021. N3 4. С. 115-122 Ро1гипо\/5к1у vestn¡k. 2021;4:115-122.

Научная статья

05.17.08- Процессы и аппараты химических технологий (технические науки) УДК 664.2

Ьог 10.2571 г/АЭТи .2072-8921.2021.04.016

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ПРИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА КРАХМАЛОВ

Геннадий Валентинович Алексеев 1, Вячеслав Алексеевич Шанин 2, Анна Геннадьевна Леу3, Артем Андреевич Бирченко 4

1 2 34 Национальный исследовательский университет ИТМО. Санкт-Петербург, Россия

1дуа2003@таП.гиМр5://огас1.огд/0000-0002-2867-108Х

25Иап1п.ууасЬе51ау@таН.ги,И«рз://огас).огд/0000-0002-1257-2319

3 [e-mail]

4 [e-mail]

Аннотация. Современные исследования в области получения модифицированных крахмалов выполняются, как правило, с целью разработки высокоэффективного метода обработки крахмала для получения продукта, предназначенного для применения в пищевой промышленности и обладающего требуемыми потребительскими характеристиками. Повсеместное использование модифицированных крахмалов в качестве функциональных добавок в технологических процессах стимулирует запрос на получение новых видов продукта и оптимизацию методов обработки сырья. Применение ультразвука в качестве способа воздействия на структуру крахмала представляет интерес для использования в пищевой промышленности как экологичный, безопасный и эффективный метод обработки. Крахмал, модифицированный ультразвуком, в зависимости от условий процесса обработки может приобретать такие свойства, как повышенная влагоудерживающая способность, снижение температуры и времени клейстеризации, повышение скорости и степени набухания. В связи с тем, что модифицированные крахмалы являются востребованным продуктом, актуальна разработка технологической схемы процесса получения модифицированных крахмалов и технологического оборудования, отвечающего требованиям современных промышленных предприятий. Предлагаемая нами конструкция аппарата для модифицирования крахмала обеспечивает более равномерную обработку сырья и позволяет интенсифицировать процесс благодаря устройству конической части аппарата и работе ультразвукового генератора. вызывающего эффект кавитации в суспензии. Использование постоянного магнита в составе конструкции аппарата вызывает в суспензии интенсивное магнитное поле, что приводит к деполяризации молекул жидкости, что также повышает эффективность работы устройства. В результате разработанное устройство позволяет добиться больших значений массового выхода и высокой чистоты модифицированного крахмала по сравнению с аналогичным оборудованием.

Ключевые слова: модифицированные крахмалы, ультразвуковая обработка, крахмальная суспензия, кавитация, диспергирование, теория планирования эксперимента, уравнение регрессии.

Для цитирования: Использование физических воздействий при интенсификации производства крахмалов / Г. В. Алексеев [и др.]. // Ползуновский вестник. 2021. № 4. С. 115-122. с!ок 10.25712/ АЭТи.2072-8921.2021.04.016.

© Алексеев, Г. В., Шанин, В. А., Леу, А. Г., Бирченко, А. А., 2021

РОИиЫО^ВК!У \ZESTNIK № 4 2021 115

Original article

USE OF PHYSICAL INTERVENTIONS IN INTENSIFICATION OF

STARCH PRODUCTION

Gennady V. Alekseev 1, Vyacheslav A. Shanin 2, Anna G. Leu 3, Artem A. Birchenko 4

1.2,3,4 National Research University ITMO, Saint Petersburg, Russia

1 [e-mail], https://orcid.org/0000-0002-2867-108X

2 [e-mail],https://orcid.org/0000-0002-1257-2319

3 [e-mail]

4 [e-mail]

Abstract. Modern research in the field of obtaining modified starches is carried out, as a rule, with the aim of developing a highly efficient method for processing starch to obtain a product intended for use in the food industry and possessing the required consumer characteristics. The widespread use of modified starches as functional additives in technological processes stimulates the demand for obtaining new types of products and optimization of raw material processing methods. The use of ultrasound as a method of influencing the structure of starch is of interest for use in the food industry as an environmentally friendly, safe and effective method of processing. The starch modified by ultrasound, depending on the conditions of the processing process, can acquire such properties as increased water-holding capacity, a decrease in the temperature and time of gelatinization, and an increase in the rate and degree of swelling. Due to the fact that modified starches are a popular product, it is relevant to develop a technological scheme for the process of obtaining modified starches and technological equipment that meets the requirements of modern industrial enterprises. The design of the apparatus for starch modification proposed by us provides a more uniform processing of raw materials and allows to intensify the process due to the device of the conical part of the apparatus and the operation of the ultrasonic generator, which causes the effect of cavitation in the suspension. The use of a permanent magnet in the structure of the apparatus causes an intense magnetic field in the suspension, which leads to depolarization of liquid molecules, which also increases the efficiency of the device. As a result, the developed device makes it possible to achieve high values of mass yield and high purity of modified starch in comparison with similar equipment.

Keywords: modified starches, ultrasonic treatment, starch suspension, cavitation, dispersion, theory of experimental design, regression equation.

For citation: Alekseev, G. V., Shanin, V. A., Leu, A. G. & Birchenko, A. A. (2021). Use of physical interventions in intensification of starch production. Polzunovskiy vestnik, (4), 115-122. (In Russ.). doi: 10.25712/ASTU.2072-8921.2021.04.016.

введение

Продовольственная безопасность Российской Федерации требует всемерного развития производства продуктов питания, в том числе импортозамещающих. С этой целью сформулированы перечни инновационных критических технологий и приоритетных направлений развития научно-

технологического комплекса, включающие в качестве первостепенных мер развитие технологий биоинженерии и рациональное природопользование. Безусловным первенством в реализации этих направлений в области

развития пищевых производств является переработка такого доступного отечественного сырья, как картофель [1].

Производство крахмала и крахмалопро-дуктов непрерывно растет не только в России, но и в мире, и занимает одно из заметных мест в экономике большинства развитых стран. Это связано с резким ростом в последнее время выработки сахаристых продуктов из модифицированных крахмалов, а также с организацией производства биораз-рушаемых полимерных материалов на его основе.

Один из видов модифицированных крахмалов получают обработкой крахмальной суспензии химическими реагентами, в частности, смесями в различных концентрациях Ре304 и Н2О2. Проблема часто возникает из-за неравномерности распределения химических реагентов по объему суспензии и нестабильности их воздействия на обрабатываемую среду [2].

Предлагаемый аппарат частично решает эту проблему и представляет собой устройство, которое включает корпус с входным участком в форме расширяющегося по ходу движения эмульсии усеченный конус с патрубком для отвода эмульсии и ротор в виде обращенного вершиной в сторону входного участка корпуса, привода вращательного движения и ультразвукового генератора возвратно-поступательных перемещений [3].

Работает аппарат следующим образом. Между стеной корпуса 1, на которой располагается постоянный магнит 2 и одноименным полюсом большего диаметра конического ротора 3, имеющего винтовую канавку, производится конечная обработка крахмальной суспензии, что позволяет достичь интенсивной деполяризации капелек смеси, состоящей из крахмальных зерен и химических ингредиентов. Таким образом, достигается стабильность получаемого крахмала. Для облегчения переноса мелкодиспергированных частиц суспензии ротор 3, размещаясь в корпусе ротора 4, опирается на подшипник 5, со-

единяясь с приводом б и электродвигателем 7. На корпусе ротора 4 установлен ультразвуковой генератор 8 в виде двух встречно включаемых электромагнитных катушек. Генерируемые ими ультразвуковые колебания вызывают эффект кавитации ингредиентов суспензии, с большой скоростью перемещающихся в винтовой канавке ротора 3. Разбрызгивающаяся в зоне патрубка для отвода смесь посредством регулятора 9 обрабатывается в магнитном поле необходимой для большей стабильности напряженности, что обеспечивается необходимым режимом магнитно-ультразвуковой обработки.

Конструкция и принцип работы устройства позволяет увеличить дисперсность крахмальной суспензии, что положительно сказывается на ее структурной стойкости. Частицы в смеси, перемещаясь по винтовой канавке, интенсивно перемешиваются и разгоняются, разбрызгиваясь на срезе большего диаметра конического ротора. Установленный на отводном патрубке постоянный магнит с возможностью регулирования зазора между ним и плоской поверхностью ротора позволяет варьировать интенсивность магнитной обработки смеси, деполяризуя капельки суспензии, попадающие в неравномерное магнитное поле высокой напряженности. После этого деполяризованные частички теряют способность вновь соединяться с другими каплями суспензии, что повышает дисперсность продукта.

Р - химические реагенты, С - крахмальная суспензия

Figure 1 - Apparatus for stabilizing the properties of food suspension P - chemical reagents, C - starch suspension

Процессам совершенствования техноло- числе с использованием самых последних гий переработки пищевого сырья посвящено научных достижений. К числу таких новых большое количество исследований, в том технологических приемов относят воздей-

POLZUNOVSKIY VESTNIK № 4 2021

117

ствие на пищевые среды физических полей разной природы и интенсивности.

Исследовано, например, влияние магнитного поля на седиментационный процесс отстаивания сусла. На основании многочисленных лабораторных опытов установлены условия достижения максимального эффекта омагничивания: совместная обработка с адсорбентами, соблюдение последовательности и определенных режимов омагничивания и др.

Е. А. Сидорова и Г. Ш. Дандамаев [4] сообщали об использовании омагничивания вин с целью их осветления. Эти же авторы испытали и магнитную обработку сусла для улучшения его осветления.

И. Г. Чумак, А. В. Овсянник и В. С. Мурашов [5] омагничивали воду и сливочную смесь мороженого слабыми (до 140 кА/м) полями. Установлено сокращение продолжительности процесса кристаллизации на 10-30 %.

В статье описывается попытка совершенствования процесса получения крахмала использованием аналогичных воздействий на картофельную кашку.

методы

Для решения вопросов о рациональных режимах воздействия магнитного поля на доброкачественность извлеченного крахмала, а также его белизну (при известных заданных режимах ультразвуковой обработки [6]), проводили исследования, используя теорию планирования эксперимента.

В соответствии с известными рекомендациями при проведении эксперимента искали зависимости доброкачественности извлеченного крахмала (УД а также его белизны (У2) , принятых в качестве функций отклика, от варьируемых параметров: Х± - времени обработки иХ2- индукции магнитного поля, в виде:

У = а0 + а1Х1 + а2Х2.

Нормированные факторы Х1 и Х2, учитывая имеющиеся в литературе данные, записывали в виде

Х1 = (т- 180)/85;

Х2 = (В - 125)/46;

где г - время обработки в постоянном магнитном поле, [сек];

В - магнитная индукция поля, [мТл].

Обеспеченная высоким качеством примененных неодимовых магнитов, высокая точность поддержания выбранных факторов на заданных уровнях, выявленная в ходе по-

становочных исследований, позволила для дублирования экспериментальных данных ограничиться тремя параллельными опытами.

При помощи таблицы случайных чисел последовательность проводимых опытов была рандомизирована для устранения влияния случайных погрешностей. Матрицы планирования эксперимента записывали в виде таблиц 1 и 2.

результаты

После испытания образцов в определенном порядке результаты заносились в столбцы, отведенные для функций отклика:

Y1 - доброкачественность извлеченного крахмала (До), Y2 - белизна крахмала (у).

Для получения статистически достоверной математической модели проверяли воспроизводимость эксперимента в виде однородности дисперсий выборок функций отклика Kt и У2. Для этой цели вычислялось значение критерия Фишера по формуле:

F max{syi} р min{syi}

Для данных таблиц 1 и 2 это значение оказалось равным 4,0, что меньше табличного значения, равного 9,28 для доверительной вероятности 95 %.

Выявленное соотношение между расчетным и табличным значениями критерия Фишера свидетельствует о воспроизводимости эксперимента и дает основание коэффициенты модели вычислить по формулам:

ЕМ у у у

1=1 Ч £jj=l'jAj

ao=~M~•

где Xj - столбцы элементов матрицы планирования;

Yj - среднеарифметическое значение для каждой из функций отклика по трем параллельным опытам;

М - число разных экспериментов (М = 4).

Результаты вычислений по приведенным формулам с помощью пакета прикладных программ EXCEL для выполненного эксперимента дали следующие оценки коэффициентов уравнения регрессии для Yj.

а0 = 0,3943; di = -0,0162; а2 = 0,0124.

На основании этого оценку уравнения регрессии записывали в виде:

Yj_ = 0,3943 - 0,0162^ + 0,0124Х2.

Таблица 1 - Влияние основных параметров на процесс гидролиза при получении р-кератина Table 1 - Influence of the main parameters on the hydrolysis process when obtaining p-keratin

№ опытов № п/п опытов Значения нормированных факторов Значения функции отклика Yi

Xi Х2 Х1Х2 Y11 Y12 У13

1,5,9 1 1 1 1 0,3814 0,3893 0,3735

2,6,10 2 -1 1 -1 0,4081 0,4120 0,4158

3,7,11 3 1 -1 -1 0,3509 0,3586 0,3547

4,8,12 4 -1 -1 1 0,3870 0,3890 0,3910

Таблица 2 - Полный факторный эксперимент для построения модели белизны крахмала от параметров магнитной обработки

Table 2 - Complete factorial experiment for building a model of starch whiteness from the parameters of magnetic processing

№ опытов № п/п опытов Значения нормированных факторов Значения функции отклика Yi

Xi Х2 Х1Х2 У11 У12 Y13

1,5,9 1 1 1 1 3,5838 3,0756 3,3297

2,6,10 2 -1 1 -1 3,0416 3,3300 3,6183

3,7,11 3 1 -1 -1 3,3978 3,3583 3,4374

4,8,12 4 -1 -1 1 0,3870 3,2850 2,9235

Результаты вычислений по приведенным формулам с помощью пакета прикладных программ EXCEL для выполненного эксперимента дали следующие оценки коэффициентов уравнения регрессии для У2:

У2 = 3,33 + 0,028*! - 0,006*2.

Полученные таким образом уравнения регрессии только в том случае соответствуют реальному процессу, когда их каждое слагаемое вносит вклад, значимо отличающийся от случайных колебаний функций отклика. Такое условие выполняется, если абсолютная величина коэффициента принимает значение больше, чем его доверительный интервал, определяемый при помощи критерия Стьюдента со степенью свободы:

/ = М(к — 1),т. к. |а,| > 2Да,

Ч iyJVf <j2

гдеД a = t1_a-SaV,Sai=$=J1g%;

к- число параллельных опытов.

Проделанные вычисления интервалов достоверности коэффициентов уравнений регрессии свидетельствуют о том, что значимы лишь те слагаемые, для которых выполняется условие:

для Уг - |а,| > 0,011; для У2 - |а, | > 0,005.

Важным шагом, предшествующим использованию полученных уравнений регрес-

POLZUNOVSKIY VESTNIK № 4 2021

сии, является проверка их адекватности. Она позволяет судить о том, не отброшены ли в процессе обработки результатов те величины, которые существенны для достоверного воспроизведения уравнениями реального процесса и правильно ли выбрана сформированная математическая модель.

Такую проверку выполняют вычислением расчетного значения критерия Фишера и сравнением с его табличным значением. Расчетное значение критерия определяется соотношением:

4

fc(M-l)

где ур - рассчитанное по уравнениям значение функций отклика ух и у2\

/(-число коэффициентов в уравнении.

Пользуясь данными таблиц 1 и 2 и произведенных выше вычислений для расчетного критерия Фишера, находим = 14,22. Для доверительной вероятности 95 % и соответствующих степеней свободы числителя и знаменателя табличное значение критерия Фишера в этом случае оказывается равным 12,67.

Неравенство Fp > ^ говорит о том, что выбранная в начале эксперимента линейная математическая модель неадекватна реальной зависимости функций отклика от варьируемых в эксперименте факторов.

119

Одним из способов отыскания зависимости адекватной реальной является дополнение плана полного эксперимента до центрального композиционного ротатабельного плана. Матрица планирования и некоторые вспомогательные величины представлены в виде таблицы 3.

Зависимости Уг и У2 от варьируемых параметров в этом случае искали в виде:

/ = Ь0 + bixi + Ь2Х2 + Ь12Х1Х2 + Ь^Х? + Ь22Х%.

Результаты вычислений по приведенным формулам с помощью пакета прикладных программ EXCEL для выполненного эксперимента дали следующие оценки коэффициентов уравнения регрессии для выбранных функций отклика:

Yx = 0,384 - 0,0169*! + 0,0089Х2 -0,0031*? + 0,0035*| + 0,0009*!*2;

У2 = 3,392 + 0,028*! - 0,006*2 -0,028*! - 0,028*| - 0,028*1*2.

Для проверки адекватности полученных уравнений регрессии, как и ранее, вычисляли дисперсию адекватности.

Адекватным уравнение регрессии является в том случае, когда выполняется соотношение:

^ад/^у ^табл >

где ^та6л - табличное значение критерия Фишера.

Для данных таблицы 3 уровень значимости 0,05 и соответствующие степени свободы числителя и знаменателя, подставленные в расчетное значение критерия Фишера, дали результат значительно меньше табличного.

Полученные таким образом уравнения регрессии отображают реальные зависимости функций отклика от параметров обработки крахмального молока в магнитном поле, дают основание судить о зависимости доброкачественности извлеченного крахмала (У!), а также его белизны (У2) , принятых в качестве функций отклика, от варьируемых параметров: *1 - времени обработки и *2 - индукции магнитного поля. Анализ полученных уравнений регрессии предварительно проведем графически, для чего построим соответствующие графики поверхностей изучаемых функций отклика. Такие графические зависимости приведены на рисунке 2.

Таблица 3 - Планирование эксперимента доброкачественности извлеченного крахмала (Yx), а также его белизны (У2)

Table 3 - Design of the experiment of the good quality of the extracted starch (Y_1), as well as its whiteness (Y_2)

№ опыта Значения нормированных факторов Значения функции отклика Yi Значения функции отклика Уг

Xi Х2 Х1Х2 X,2 Х22 Эксперим. Yi, Расчетные YiP Эксперим. У2, Расчетные V2p

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 1 1 1 1 1 0,3814 0,3791 3,3297 3,3300

2 -1 1 -1 1 1 0,412 0,4111 3,3300 3,3298

3 1 -1 -1 1 1 0,3547 0,3595 3,3978 3,3931

4 -1 -1 1 1 1 0,3890 0,3951 3,2850 3,2972

5 1,41 0 0 2 0 0,3584 0,3575 3,3755 3,3849

6 -1,41 0 0 2 0 0,4081 0,4054 3,2958 3,2995

7 0 1,41 0 0 2 0,4005 0,4035 3,3275 3,3162

8 0 -1,41 0 0 2 0,3854 0,3791 3,3439 3,3563

9 0 0 0 0 0 0,3840 0,384 3,3922 3,392

10 0 0 0 0 0 0,3833 0,384 3,3956 3,392

11 0 0 0 0 0 0,3846 0,384 3,888 3,392

8. Егорова О.А., Бирченко А.А., Шанин В.А. Совершенствование процесса осаждения крахмала из суспензии при обработке ультразвуком // Труды XII Евразийского научного форума : Сборник статей, Санкт-Петербург, 20 декабря 2020 г. Санкт-Петербург : Университет при МПА, 2020. С. 39-48.

9. Chun-Hsiang Chan, Ri-Gui Wu, Yi-Yuan Shao. The effects of ultrasonic treatment on physico-chemical properties and in vitro digestibility of semi-gelatinized high amylose maize starch // Food Hydro-colloids. Volume 119. 2021. - https://doi.org/10.1016/ j.foodhyd.2021.106831.

10. Wenzhe Bai Pascal, Hebraud Muthupandian Ashokkumar. Investigation on the pitting of potato starch granules during high frequency ultrasound treatment // Ultrasonics Sonochemistry. Volume 35. Part B. 2017. P. 547-555. https://doi.org/ 10.1016/j.ultsonch.2016.05.022.

Информация об авторах

Г. В. Алексеев - д.т.н., профессор факультета биотехнологий Национального исследовательского университета ИТМО.

В. А. Шанин - аспирант факультета биотехнологий Национального исследовательского университета ИТМО.

А. Г. Леу - аспирант факультета биотехнологий Национального исследовательского университета ИТМО.

А. А. Бирченко - аспирант факультета биотехнологий Национального исследовательского университета ИТМО.

references

1. On the progress of the potato harvest in 2021 -trends and forecasts, https://agrovesti.net/lib/ indus-tries/potatoes/o-khode-uborki-kartofelya-v-2021-godu-tendentsii-i-prognozy. html. 08/01/2021. (In Russ.).

2. Alekseev, G.V., Leu, A.G. & Yukhnik, I P. (2020). Improvement of technological equipment for obtaining modified starch. Polzunovsky Bulletin, (2), 36. (In Russ.).

3. Raspopov, D.S., Leu, A.G., Bezgin, M.V., Ver-boloz, M.V., Romanchikov, S.A. & Shangutov, A.O. (2019). Device for preparation of protein-fat emulsion:

Pat. 2732218 Rus. Federation, published on 02.12.2019.

4. Sidorova, E.A. & Dandamaev, G.Sh-V. (1980). Intensification of the process of clarifying the fortified-wine material with a magnetic field, M., Central Research Institute of Information and Technical and Economic Research. (In Russ.).

5. Klassen, V.I. (1978). Magnetization of water systems, M., Chemistry. (In Russ.).

6. Ruskina, A.A., Popova, N.V. & Ruskin, D.V. (2018). Modification of starch using ultrasonic exposure as a tool for changing its technological characteristics. Bulletin of the South Ural State University. Series: Food and Biotechnology, (8), 69-76. (In Russ.).

7. Alekseev, G.V. et al. (2021). Analysis of the influence of ultrasonic treatment parameters on the gelatinizing ability of potato. Natural and technical sciences, (7), 241-242. (In Russ.).

8. Egorova, O.A., Birchenko, A.A. & Shanin, V.A. Improvement of the process of precipitation of starch from suspension during treatment with ultrasound. Proceedings of the XII Eurasian Scientific Forum: Collection of articles University at IPA, St. Petersburg. (In Russ.).

9. Chan, C.-H., Wu, R.-G. & Shao, Y.-Y. (2021). The effects of ultrasonic treatment on physicochemi-cal properties and in vitro digestibility of semigelati-nized high amylose maize starch. Food Hydrocolloids, (119) https: //doi.org/10.1016/j.foodhyd.2021.106831.

10. Bai, W„ Hebraud, P. & Ashokkumar, M. (2017). Investigation on the pitting of potato starch granules during high frequency ultrasound treatment. Ultrasonics Sonochemistry, (35), Part B, 547-555. https://doi.Org/10.1016/j.ultsonch.2016.05.022.

Information about the authors

G. V. Alekseev - Doctor of Technical Sciences, Professor of the Faculty of Biotechnology, National Research University ITMO.

V. A. Shanin - postgraduate student of the Faculty of Biotechnology, National Research University ITMO.

A. G. Leu - postgraduate student of the Faculty of Biotechnology, National Research University ITMO.

A. A. Birchenko - postgraduate student of the Faculty of Biotechnology, National Research University ITMO.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. The authors declare that there is no conflict of interest.

Статья поступила в редакцию 06.10.2021; одобрена после рецензирования 14.11.2021; принята к публикации 26.11.2021.

The article was received by the editorial board on 6 Oct 21; approved after reviewing on 14 Nov 21; accepted for publication on 26 Nov 21.

ПО/1ВУНОВСКИЙ

ВЕСТНИК

^БЫ 2072-8921

ФГБОУ ВО

АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. И. И. ПОЛЗУНОВА

«Посвящается 255-летию создания паровой машины И. И. Ползунова»

155М 2072-8921

Свидетельство о регистрации издания ПИ № ФС 77-75624 выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 19 04 2019 г.

Префикс 001:10.25712/АЗТи.2072-8921 ЖУРНАЛ ИЗДАЕТСЯ С ОКТЯБРЯ 2002 г. _Переодичность - 4 номера в год

№ 2 2021 г

Научный журнал

входит в перечень ВАК

главный редактор

Гурьев Алексей Михайлович

д.т.н., проф. АлтГТУ (г. Барнаул)

заместитель главного редактора

Маюрникова Лариса Александровна

д.т.н., проф., зав. каф. «Технология и организация общественного питания» КемГУ (г. Кемерово)

редакционная коллегия

Сакович Г. В., академик РАН (г. Бийск)

Бессон Р., проф., директор Международного российско-французского центра инноваций и трансфера технологий (г. Безансон, Франция) Мэй Шунчи, проф., декан УТУ (г. Ухань, Китай) Лыгденов Б. Д., д.т.н., проф. УТУ(г. Ухань, Китай)

Дебердеев Т. Р., д.т.н., зав. каф. «Технологии переработки полимеров и композиционных материалов» КНИТУ(г. Казань)

Ильясов С. Г., д.х.н., заместитель директора по научной работе ИПХЭТ СО РАН (г. Бийск) Блазнов А. Н., д.т.н., заведующий лабораторией материаловедения и минерального сырья ИПХЭТ СО РАН, (г. Бийск)

Петров Е. А, д.т.н., проф., декан инженерного спецфакультета БТИ (г. Бийск)

Деев В. Б., д.т.н., проф., главный научный сотрудник Инжинирингового центра «Литейные

технологии и материалы» НИТУ МИСиС (г. Москва)

Батаев В. А., д.т.н., проф. НГТУ (г. Новосибирск)

Коновалов С. В., д.т.н., проф., зав. каф. «Технологии металлов и авиационного материаловедения» Самарского университета (г. Самара)

Щетинин М. П., д.т.н., проф., проректор по научной работе МГУПП (г. Москва) Тамова М. Ю., д.т.н., проф., зав. каф. «Общественного питания и сервиса» КубГТУ (г. Краснодар) Попов В. Г., д.т.н., доц., зав. каф. «Товароведение и технологии продуктов питания» ТИУ (г.Тюмень) Майоров А. А., д.т.н., проф., главный научный сотрудник ФГБНУ ФАНЦА (г. Барнаул) Новоселов С. В., д.т.н., доц. АлтГТУ (г. Барнаул)

Коньшин В. В., д.т.н., проф., зав.каф. «Химическая технология» АлтГТУ (г. Барнаул)

Романов А. С., д.т.н., проф., зам. директора ООО «Балтийский пекарский дом» (г. Калининград)

Алтухов И. В., д.т.н., доц. ИрГАУ (г. Иркутск)

Гуринович Г. В., д.т.н., проф., зав. каф. «Технология продуктов питания животного происхождения» КемГУ (г. Кемерово)

Ананьева Е. С., к.т.н., доц. АлтГТУ (г. Барнаул) ОТВЕТСТВЕННЫЙ ЗА ВЫПУСК ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕДАКТОР

Стопорева Татьяна Александровна, Проскура Николай Анатольевич,

к.т.н., начальник ОРПД АлтГТУ (г. Барнаул)_редактор АлтГТУ (г. Барнаул)_

УЧРЕДИТЕЛИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. И. И. ПОЛЗУНОВА»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ

ВОДНЫХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ИНДЕКС: 73664 (Урал-Пресс)

АДРЕС РЕДАКЦИИ И ИЗДАТЕЛЯ

656038, г Барнаул, пр Ленина 46, Алтайский государственный технический университет им И И Ползунова (АлтГТУ), тел [phone], е-таИ: [e-mail]. Стопорева Т. А Сайт журнала ЬНрБ^/ро^езГтк.аНзШ ги Дата выхода в свет 30 06.2021 г.

Цена 600 рублей _

ШйЮ

DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921

EST. IN 2002.

ISSN 2072-8921

№2 2021

SCIENTIFIC JOURNAL

EDITOR-IN-CHIEF

DEPUTY EDITOR-IN-CHIEf

Aleksey Guriev

Doctor of Technical Sciences, professor at ASTU, Barnaul, Russia

Larisa Mayurnikova

Doctor of Technical Sciences, professor at KemSU, Kemerovo, Russia

EDITORIAL BOARD

Gennady Sakovich, RAS academician, Biysk, Russia

Raimond Besson, professor, Besancon, France

Mei Shunqi, professor, WTU, Wuhan, China

Burial Lygdenov, Doctor of Technical Sciences, WTU, Wuhan, China

Timur Deberdev, Doctor of Technical Sciences, KNRTU, Kazan, Russia

Sergey lliyasov, Doctor of Chemical Sciences, IPCET SB RAS, Biysk, Russia

Aleksey Blaznov, Doctor of Technical Sciences, IPCET SB RAS, Biysk, Russia

Evgeny Petrov, Doctor of Technical Sciences, BTI, Biysk, Russia

Vladislav Deev, Doctor of Technical Sciences, NÜST MISIS, Moscow, Russia

Vladimir Bataev, Doctor of Technical Sciences, NSTU, Novosibirsk, Russia

Sergei Konovalov, Doctor of Technical Sciences, Samara University, Samara, Russia

Mikhail Shchetinin, Doctor of Technical Sciences, MSUFP, Moscow, Russia

Maya Tamova, Doctor of Technical Sciences, KubSTU, Krasnodar, Russia

Vladimir Popov, Doctor of Technical Sciences, TIU, Tyumen, Russia

Aleksandr Mayorov, Doctor of Technical Sciences, FASCA, Barnaul, Russia

Sergei Novoselov, Doctor of Technical Sciences, ASTU, Barnaul, Russia

Vadim Konshin, Doctor of Technical Sciences, ASTU, Barnaul, Russia

Aleksandr Romanov, Doctor of Technical Sciences, professor, LLC "Baltisky Bakery House", Kaliningrad, Russia

Igor Altukhov, Doctor of Technical Sciences, Associate professor, IrSAU, Irkutsk, Russia Galina Gurinovich, Doctor of Technical Sciences, professor, KemSU, Kemerovo, Russia Elena Ananieva, Candidate of Technical Sciences, Associate professor, ASTU, Barnaul, Russia

ISSUE MANAGER TECHNICAL EDITOR

Tatiana Stoporeva Nikolay Proskura

Candidate of Technical Sciences, ASTU, Editor, ASTU, Barnaul, Russia

Barnaul, Russia

FOUNDERS

POLZUNOV ALTAI STATE TECHNICAL UNIVERSITY (ASTU)

INSTITUTE FOR WATER AND ENVIRONMENTAL PROBLEMS OF THE SIBERIAN BRANCH OF THE RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES (IWEP SB RAS)

PUBLISHER

Polzunov Altai State Technical University, phone.[phone], e-mail: [e-mail] ADDRESS: Prospect Lenina 46, office 113a GK, Barnaul, 656038, Russia WEBSITE: https://polzvestnik.altstu.ru

Signed for printing 30.06.2021 _

СОДЕРЖАНИЕ

РАЗДЕЛ 1. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ

Е. В. Скороспелова, О. Ю. Михайлова, Н. К. Шелковская

Совершенствование технологии приготовления концентрированных соков из плодов и ягод алтайских сортов...........................................................7

Н. С. Санжаровская, Н. В. Сокол. Ю. Б. Шарифул-лина

Совершенствование рецептурного состава бисквитного полуфабриката с использованием муки из полбы.......................................................14

Л. А. Козубаева, С. С. Кузьмина

Перспективы применения арахиса в производстве капкейков................................................20

Л. Н. Крикунова, Е. В. Дубинина, М. А.Захаров, И. В. Лазарева

К вопросу оценки минерального состава зерновых отрубей................................................27

А. Н. Остриков. Н. Л. Клейменова. И. Н, Болгова. М. В. Копылов

Исследование теплофизических и реологических свойств пищевых растительных масел ...........................................................................36

О. И. Иринина, С. А. Елисеева

Изучение биохимического состава и лечебных свойств растения кипрей узколистный (иван-чай).......................................................................................44

К. Н. Нициевская. В. С. Нечаева

Влияние ультразвукового воздействия на растительное сырьё............................................55

Н. В. Макарова. М. С. Воронина. А. Н. Гуляева. А. А. Албина, И. А. Бесчастнов. Д. Ю. Золотухина Изучение физико-химических и органолеп-тических свойств брокколи, отваренной в различных средах......................................................63

Н. К. Шелковская. В. А. Вагнер. И. Б. Дворяткина

Разработка рецептур купажных столовых вин типа «Алтын-Кель» из плодов и ягод алтайского ассортимента..............................................67

А. Ю. Чечеткина. М. Б. Мурадова. А. В. Проскура. А. И. Лепешкин, Л. А. Надточий, М. А. Хашим

Комплексная переработка ягод брусники и клюквы...................................................................75

А. В. Фоминых, С. В. Фомина, Д. П. Ездин. А. А. Ез-дина, Н. А. Ковшова

Лабораторная энергосберегающая вакуумная выпарная установка для повышения концентрации гуминового геля................................82

Е. А. Бычкова. А. В. Борисова

Бехковые концентраты сои: технологии производства и перспективы применения............................88

И. В. Науменко, С. К. Волончук, К. Я. Мотовилое, А. И. Резепин

Новый вид комбикорма повышенной кормовой ценности....................................................95

О. Н. Еременко, Ж. А. Кох, В. В. Тарнопольская. Н. Ю. Демиденко

Перспективы использования столовой свеклы в производстве функциональных напитков...............................................................102

Н. А. Ермошин, И. Е. Волков. И. Н. Николаев.

A. А. Сычев

Способ размягчения межмышечных соединительных тканей и сухожилий в толще мясных полуфабрикатов.................................................110

Е. П. Каменская, Г. В. Саберзянова

Использование молочной сыворотки для активации дрожжей в технологии производства пива.......................................................................116

B. В. Горшков. Е. И. Машкина

Эффективность использования разного уровня мяса индейки в фарше при приготовлении полуфабрикатов в тесте (пельменей) . ..124

О. Н. Пчелинцева. 3. А. Бочкарева. С. В. Лисина

Новый продукт с функциональными свойствами из рыбного сырья с растительными компонентами......................................................132

Н. В. Горников, С. В. Новоселов. Л. А. Маюрникова, А. Ю. Зирка, А. С. Ротькина

Формирование компетенций специалиста для отрасли общественного питания в системы «Школа-ВУЗ».....................................................140

А. И. Орлов, И. Ю. Резниченко

Применение отходов пивоварения в ресурсосберегающих технологиях............................146

Е. А. Красноселова. А. А. Варивода

Разработка технологии белковых композиций с возможностью их использования в диетических продуктах питания.................................153

И. В. Хамаганова. И. И. Бадмаева. С. В. Цырен-доржиева, 3. М. Намсараева. В. А. Аникина Анализ индустрии питания города Улан-Удэ.........................................................160

И. В. Соболь, Л. Я. Родионова

Разработка продуктов геронтологического питания повышенной пищевой ценности.....168

Ползуновский вестник. 2021. №2. С. 182-187 Ро^ипоувйу vestn¡k. 2021;2:182-187.

Научная статья

05.17.06 - Технология и переработка полимеров и композитов (технические науки) УДК 54.05

с(ок 10.25712/АБТи.2072-8921.2021.02.025

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫДЕЛЕНИЯ КЕРАТИНА ПУТЕМ ГИДРОЛИЗА СЫРЬЯ В УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПОЛЕ

Геннадий Валентинович Алексеев 1, Ксения Олеговна Каршева 2, Роман Олегович Резниченко 3, Вячеслав Алексеевич Шанин 4

12 3 4 Национальный исследовательский университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия

1 [e-mail], https://orcid.org/0000-0002-2867-108X

2 [e-mail]

3 [e-mail]

4 [e-mail]

Аннотация. Одним из механизмов, реализующих ультразвуковое экстрагирование, позволяющее получать химически чистые экстракты биологически активных веществ из природного сырья растительного или животного происхождения, связан с ультразвуковой кавитацией, побуждающей возникновение в жидкости, облучаемой ультразвуковыми волнами, пульсирующих и захлопывающихся пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Использование ультразвука в производстве значительно ускоряет процесс экстракции, увеличивает выход целевых компонентов в экстракт и снижает себестоимость экстрагируемого вещества. Кавитационные пузырьки образуются при облучении жидкости мощным ультразвуком и расширяются во время полупериодов разрежения и сжимаются после перехода в область повышенного давления. Именно энергия, выделяемая при охлопывании этих пузырьков, приводит к столь значительному ускорению химических реакций. Количество и размер кави-тационных пузырьков зависят не только от параметров поля: интенсивности, частоты и звукового давления, но и от характеристик жидкости: вязкости, плотности, температуры, поверхностного натяжения и давления парогазовой смеси. Представляется целесообразным использование этого технологического инструмента для выделения такого ценного продукта. как кератин, при утилизации, например, пухо-перьевых отходов, получаемых в значительных количествах при переработке птицы. В работах, где упоминался метод щелочного гидролиза кератина с целью получения кормовых добавок, авторы применяли достаточно жесткие условия по температуре и давлению, которые приводили к практически полному распаду белковой молекулы на аминокислоты и даже к частичной деградации аминокислот. Наша цель заключалась в том, чтобы сохранить полимерную структуру кератина, но при этом снизить молекулярную массу.

Ключевые слова: ультразвуковое экстрагирование, биологически активные вещества, сырье животного происхождения, утилизация пухо-перьевых отходов, щелочной гидролиз кератина, сохранение полимерной структуры.

Для цитирования: Совершенствование процесса выделения кератина путем гидролиза сырья в ультразвуковом поле / Г. В. Алексеев [и др.] // Ползуновский вестник. 2021. № 2. С. 182-187. с!о1: 10.25712/АЗТи.2072-8921.2021.02.025.

Original article

IMPROVEMENT OF THE KERATIN RELEASE PROCESS BY HYDROLYSIS OF RAW MATERIALS IN THE ULTRASONIC FIELD

Gennady V. Alekseev 1, Ksenia O. Karsheva 2, Roman O. Reznichenko 3,

Vyacheslav A. Shanin 4

1,2,3,4 National Research University ITMO, Saint Petersburg, Russia

© Алексеев Г. В., Каршева К. О., Резниченко Р. О., Шанин В. А., 2021

182 ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 2 2021

1 [e-mail], https://orcid.org/0000-0002-2867-108X

2 [e-mail]

3 [e-mail]

4 [e-mail]

Abstract. One of the mechanisms realizing ultrasonic extraction, which makes it possible to obtain chemically pure extracts of biologically active substances from natural raw materials of plant or animal origin, is associated with ultrasonic cavitation, which induces the appearance in a liquid irradiated by ultrasonic waves of pulsating and collapsing bubbles filled with steam, gas or a mixture of them. The use of ultrasound in production significantly speeds up the extraction process, increases the yield of target components in the extract and reduces the cost of the extracted substance. Cavitation bubbles are formed when a liquid is irradiated with powerful ultrasound and expand during half-periods of rarefaction and contract after the transition to the area of increased pressure. It is the energy released during the collapse of these bubbles that leads to such a significant acceleration of chemical reactions. The number and size of cavitation bubbles depend not only on the field parameters - intensity, frequency and sound pressure, but also on the characteristics of the liquid: viscosity, density, temperature, surface tension and pressure of the vapor-gas mixture. It seems advisable to use this technological tool to isolate such a valuable product as keratin, when disposing, for example, down-feather waste obtained in significant quantities during poultry processing. In the works where the method of alkaline hydrolysis of keratin was mentioned in order to obtain feed additives, the authors used rather stringent conditions for temperature and pressure, which led to almost complete decomposition of the protein molecule into amino acids, and even to partial degradation of amino acids. Our goal was to preserve the polymer structure of keratin while still lowering the molecular weight.

Keywords: ultrasonic extraction, biologically active substances, raw materials of animal origin, utilization of down and feather waste, alkaline hydrolysis of keratin, preservation of the polymer structure.

For citation: Alekseev, G. V., Karsheva, K. O., Reznichenko, R. O. & Shanin, V. A. (2021). Improvement of the keratin release process by hydrolysis of raw materials in the ultrasonic field. Polzunovskiy vestnik,(2), 182-187. (In Russ.). doi: 10.25712/ASTU.2072-8921.2021.02.025._

Ультразвук в диапазоне частот от самых низких и примерно до 100 кГц чаще всего получают, применяя магнитострикционные преобразователи, представляющие собой сердечник с навитой на него обмоткой. Переменный ток, протекающий по обмотке, создает переменное магнитное поле, преобразующееся в энергию магнитных колебаний сердечника. Следует отметить, что эффект обратим, то есть если деформировать сердечник, то в нем возникает магнитное поле, которое вызывает в обмотке появление электрического тока [1-2].

Все ферромагнитные материалы подвергаются механической деформации при попадании в магнитное поле. С помощью магнито-стрикционного осциллятора можно создавать продольные волны. Ультразвуковое экстрагирование (экстракция) позволяет получать химически чистые экстракты биологически активных веществ из природного сырья растительного или животного происхождения. Экстракция - процесс извлечения одного или нескольких компонентов из сложного по составу сырья с помощью растворителя -экстрагента.

Экстрагирование биологически активных веществ - наиболее продолжительная стадия переработки сырья. Традиционные методы экстракции нередко занимают часы, сутки и

даже недели. Использование ультразвука позволяет значительно ускорить процесс экстракции, увеличить выход и снизить себестоимость экстрагируемого вещества, улучшить условия труда и повысить его производительность [35].

Воздействие ультразвука создает кавитацию и турбулентные потоки в жидком экстра-генте, в результате происходит быстрое набухание материала и растворение содержимого клетки, увеличивается скорость обтекания частиц сырья, в пограничном диффузионном слое возникают турбулентные и вихревые потоки. Молекулярная диффузия внутри частиц материала и в пограничном диффузионном слое практически заменяется конвективной, что приводит к интенсификации массообмена. В результате кавитации происходит разрушение клеточных структур, что ускоряет процесс перехода полезных веществ в экстрагент за счет их вымывания.

Сильные турбулентные течения, гидродинамические потоки способствуют переносу масс, растворению веществ, происходит интенсивное перемешивание содержимого даже внутри клетки, чего невозможно достичь другими способами экстракции. Кроме того, изменение давления при сжатии и разряжении при

POLZUNOVSKIY VESTNIK № 2 2021

183

прохождении волны ультразвука может вызывать эффект губки, при котором улучшается проникновение экстрагента в материал.

В результате время замачивания сырья под действием ультразвука значительно сокращается. На выход действующих веществ влияют интенсивность и продолжительность ультразвукового облучения, температура экстрагента, соотношение сырья и экстрагента.

При использовании ультразвука наблюдается не только значительное ускорение производственного процесса, но и увеличение по сравнению с другими способами экстрагирования выхода основного продукта. Если озвучиваемое сырье представляет собой группы сильно одревесневших клеток плотной структуры, то для процесса экстракции определяющим параметром становится число разрушенных клеток. С увеличением степени дисперсности частиц сырья коэффициент отражения звуковой энергии на границе раздела фаз ввиду быстрой пропитки мелкоизмельченного сырья экстрагентом будет минимальным, интенсивнее происходит растворение и вымывание содержимого из разрушенных клеток. Следовательно, при озвучивании время экстрагирования сокращается.

В начале века разработана технология получения водного экстракта прополиса с использованием ультразвукового воздействия [6-8]. Данный способ позволяет получить водный экстракт прополиса с максимальным сохранением биологически активных веществ в экстракте. Согласно изобретению, проведение экстракции ультразвуком в режиме кавитации в течение 2,5 ч непрерывно позволяет наиболее полно извлечь биологически активные соединения, комплекс которых обеспечивает необходимый уровень и спектр специфической активности целевого продукта. При меньшем времени экстракции не обеспечивается полнота извлечения. При этом процесс экстракции идет не только значительно быстрее, но и при гораздо более низких температурах, что важно для веществ, разлагающихся или окисляющихся при высоких температурах, в частности, для сохранения биологической активности белковых соединений исходного сырья. Применение ультразвуковой установки для получения водного экстракта прополиса позволяет проводить активную экстракцию ультразвуком на протяжении всего процесса, при этом создается возможность получать водный экстракт прополиса с любыми фракциями при разных температурах [9].

В экспериментах по ультразвуковой водной экстракции БАВ из элеутерококка было

установлено, что при использовании ультразвука из одного и того же количества сырья в раствор переходит в 2,45 раза больше экстрактивных веществ за время, в 6 раз меньшее.

Проведенные исследования по применению ультразвука для осветления спиртованного яблочного сока с использованием «оклеивающего» материала бентонита показали, что скорость осаждения взвешенных частиц повышается в 5-6 раз.

Вместе с тем, при ультразвуковой экстракции наблюдается повышенная мутность и очистка с помощью обычного процесса фильтрования через фильтр-картон вызывает трудности. Кроме того, установлено, что применение ультразвука более эффективно при обработке разбавленных более обычного суспензий, хотя для этого требуется достаточно сложное оборудование [10].

Были проведены эксперименты по гидролитическому разложению пухо-перьевых отходов в диапазоне от 20 °С до 80 °С при обычном давлении без ультразвуковых колебаний и при помещении заранее подготовленных образцов в зону действия источника ультразвука в виде лабораторной модели аппарата «ВолнаМ» (модель УЗТА-1/22-Орв), работающий с амплитудой 10-40 мкм, частотой 22 ± 1,5кГц., интенсивностью до 2,0 Вт/см2. Использовалась колебательная система в виде электроакустического преобразователя с потребляемой мощностью до 1 кВт. Излучающая поверхность в реакторе аппарата имела площадь Б = 11,3 см2, рабочее давление в реакторе р = 1 атм, мощность электроакустического преобразователя регулировалась в пределах от 300 до 500 Вт, а электроакустический КПД составлял г)эа = 0,5. Интенсивности ультразвука при его излучении в жидкость 2,0 Вт/см2.

Такие ограничения были выбраны потому, что мы ориентировались на возможность практической реализации процесса в наиболее простых условиях, без применения оборудования типа автоклавов, а также применения оборудования из специальных корро-зионно-устойчивых материалов.

Полученный в ходе эксперимента гидро-лизат кератина был использован в качестве структурообразователя. Такой вариант применения является новым, поскольку поиск аналогов биоразлагаемого структурообразователя не дал результатов. На сегодняшний день активно используются синтетические структурообразователи, которые могут оказать негативное воздействие на экологическую обстановку после своего разложения. Качество синтетических структурообразовате-лей определяется процентным содержанием

водопрочных агрегатов в обработанном образце. Такой же вариант определения качества гидролизата кератина был выбран нами. Водопрочные агрегаты - неразмываемые водой частицы, находящиеся в структуре почвы.

Расчет содержания водопрочных агрегатов проводился по формуле.

>"вл

ВА (%) =

т..

■ 100%,

где ?писх - изначальная масса образца почвы, тВА - масса высушенной обработанной почвы, оставшейся после растворения в воде, процеживании сквозь сито с размером ячейки 0,25 мм и высушивании до постоянной влажности.

Ниже представлена таблица зависимости доли водопрочных агрегатов в обработанном полученным гмдролизатом образце, от вида обработки пухо-перьевых отходов.

Таблица 1 - Влияние основных параметров на процесс гидролиза при получении (3-кератина

Table 1 - Influence of the main parameters on the hydrolysis process when obtaining p-keratin

Доля водопрочных

агрегатов (%, мае)

Вид обработки 5 % 3 % 1 %

пухо-перьевых КОН КОН КОН

отходов С) О С) С) О С)

о О ¡S о О о

со со CD CO CD 00

УЗ (22кГц;1,0Вт/см (О со" 1Л о" CD CO О о" in

2) со N- со

Без УЗ

о 00 см ■ч-

см см CM CD о

ю CD CD

Концентрация КОН

—(?2 кГц; 1,0Вт/см*2. 80'C)—Bei V3 (80V) -^-УЗ (22 кГц; 1,0 8т/см»2, БО'С) Без УЗ (00°С)

Рисунок 1 - Влияние параметров процесса гидролиза на свойства получаемого 3-кератина Figure 1 - The influence of the parameters of the hydrolysis process on the properties of the obtained p-keratin

На графике заметно, что не только температура и концентрация существенно влияют на конечный результат, но это воздействие существенно увеличивается при наличии УЗ, который частично разрыхляет структуру сырья за счет кавитации. Внешняя структура полученных таким способом кератиновых волокон практически не изменялась при температуре ниже 60 °С. Заметное набухание волокон, а также появление вязкостных свойств раствора наблюдалось по достижении 60 °С и выше. Раствор приобретал гелеобразную однородную структуру, что свидетельствует о разрушении поперечных связей между полипептидными цепями молекулы кератина и перехода

в линейную форму. Дальнейшее повышение температуры приводило к постепенному снижению вязкости раствора. Причиной этого явления может быть дальнейшее разрушение пептидных связей, приводящих к укорочению полипептидных цепей и снижению молекулярной массы полимера. Но поскольку нашей целью было сохранение оптимальной молекулярной массы полимера, то, как показали результаты эксперимента, повышение температуры свыше 80 °С не желательно, так как приводит к глубокой деградации белковой молекулы.

На глубину гидролиза так же существенное влияние оказывает концентрация щелочи.

Явные признаки разрушения структуры кератина наблюдаются при концентрации 1 %. Но скорость процесса при этом очень медленная. Мы изменяли концентрацию КОН в диапазоне от 1 % до 5 %. При концентрации 5 % при условии нагревания скорость сильно возрастала, что затрудняло регулирование вязкости раствора, то есть контроль изменения молекулярной массы.

Таким образом, на основании полученных результатов можно определить оптимальные условия проведения гидролиза. Оценку структурообразующих свойств продукта производили по измерению количества водопрочных агрегатов, в таблице видно, что оптимальные результаты для пухо-перьевых отходов достигаются в условиях воздействия ультразвука при температуре 80 °С и концентрации КОН 3 %.

Нами предлагается простая конструкция экстрактора. Работает устройство следующим образом. Сырье и экстрагент через загрузочный патрубок 2 поступают в корпус 1 и, проходя через коаксиальный цилиндр 10, подвергаются обработке источником ультразвука 6. Лопастная мешалка 4 дополнительно дробит сырье, предварительно разрушенное кавитацией от ультразвука, после чего обеспечивает равномерное перемешивание смеси. Смесь, обогащенная мицеллами экстрагированного белка, поднимается к верхним слоям смеси, где попадает в рециркуляционную воронку 12, откуда по трубопроводу 7 перекачивается насосом 8 в накопительную емкость 9. Из накопительной емкости 9 через отборник проб 13 периодически производится отбор продукта для определения стадии процесса. На начальных стадиях процесса смесь из накопительной емкости 9 по трубопроводу 16 поступает в загрузочный патрубок 2 и проходит повторную обработку ультразвуком. Поток смеси, поступающий на повторную обработку через трубопровод 16, регулируется заслонкой 17, управляемой поплавковым регулятором 18. Когда анализ проб показывает удовлетворительный результат, открывается кран 15, и обогащенная смесь выгружается через патрубок 14. Твердые остатки кератинсодер-жащего сырья удаляются из корпуса 1 через сливной патрубок 3.

При получении экстрактов из сырья различного происхождения ультразвуковым экстрагированием нужно учитывать следующие общие условия:

• на эффективность и длительность процесса экстрагирования оказывает влияние дисперсность сырья, поэтому перед экстракцией сырье измельчают;

• высушенное сырье необходимо замо-

чить перед экстрагированием, процесс замачивания зависит от скорости вытеснения воздуха из клетки, удерживаемого до тех пор, пока не произойдет его растворение в экстра-ген те;

• при применении ультразвука за счет звукокапиллярного эффекта ускоряется вытеснение пузырьков воздуха и создаются условия для их растворения в жидкости -время, необходимое для получения сырья нужной кондиции сокращается в десятки раз;

• при проведении экстрагирования необходимо обеспечить доступ экстрагента к каждой частице - это достигается перемешиванием во время обработки, а также уменьшением соотношения сырье / экстрагент;

• подогрев экстрагента в допустимых пределах интенсифицирует экстрагирование, однако не следует перегревать экстрагент, поскольку с увеличением температуры начинается интенсивное образование газовых пузырьков и интенсивность передачи ультразвуковой энергии падает.

п ———

Рисунок 2 - Ультразвуковой экстрактор Figure 2 - Ultrasonicextractor

Экспериментальные данные, полученные в ходе исследования, говорят о перспективности применения ультразвуковой обработки для гидролиза кератина из пухо-перьевых отходов птицеперерабатывающих предприятий. Ультразвуковой экстрактор, разработанный для осуществления процесса гидролиза кератинсодержащего сырья, может использоваться при технологической переработке отходов птицефабрик для получения побочного продукта производства, который можно применять в качестве кормовой добавки и органических удобрений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Акопян В.В., Ершов ЮА. Основы взаимодействия ультразвука с «биологическими объектами» (ультразвук в медицине, ветеринарии и экспериментальной биологии). М. : Изд-во РГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 300 с.

2. Алексеев Г.В. Компьютерные технологии при проектировании и эксплуатации технологического оборудования : учеб. пособие. СПб. : Изд-во ГИОРД, 2012. 256 с.